CN105896999A - 一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路。本发明结构是PWM发生器输出、比较器输出到与逻辑门输入端，再输出到驱动电路输入端，一路经开关电源主电路中开关管的门极限流电阻到MOSFET开关管Q的栅极，另一路经限流电阻后分别连接到阻塞二极管的阳极、偏置二极管的阳极，阻塞二极管的阴极连接到开关电源主电路中MOSFET开关管的漏极，偏置二极管的阴极连接到比较器的反相端，基准送到比较器的同相端，偏置二极管与阻塞二极管相同。本发明克服了高功率密度、高效率、高性价比和模块化方面的缺陷。本发明精度较高，无需额外的电流传感器，电路结构简单、体积小，相比于电阻检测电流的电路不会引入损耗，因而可靠性和效率较高。

Description

一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路

技术领域

本发明涉及一种开关电源电路中电流检测的电路和方法，属于电力电子与电工技术领域，特别涉及基于MOSFET导通电阻电流采样的电流精确检测电路和过流保护方法，即一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路。

背景技术

在开关电源主电路中，为实现电流控制或过流保护，须检测开关管电路中的电流。常用的电流检测电路和方法主要有3种：1)电阻检测，2)电流互感器检测，3)电流霍尔检测。采用串联电阻来检测开关管中的电流，电路简单且成本低，但由于开关管断开时漏极或集电极电容放电，会在电流检测电阻上产生瞬态电流尖峰，此尖峰的脉宽和幅值常足以使电流放大器锁定，从而使PWM电路出错。另采用串联电阻检测电流，会在检测电阻上产生损耗；因此在诸多场合采用电流互感器检测电流。电流互感器检测最适合应用在对称的电路，如推挽电路、全桥电路中，但在电流互感器检测电路的设计中，要充分考虑功率电路拓扑对检测效果的影响，综合考虑电流互感器的饱和问题和副边电流的下垂效应，以选择合适的磁芯复位电路、匝比和检测电阻，因而设计相对复杂。另电流互感器不能对电流中的直流分量进行准确的测量，如对于单端电路，特别是升压电路，电感电流就是输入电流，那么在电流连续工作方式时，不管充电还是放电，电感电流总是大于零，即在直流值上叠加一个充放电的波形，显然连续的电流不能让互感器进行磁复位，因此电流互感器不能用于直接测量升压电路的输入电流；并且电流互感器因不能磁复位而饱和，从而失去过流保护功能，输出产生过压等。在降压电路中也存在同样的问题，电流互感器不能用于直接测量输出电流。解决这个问题的方法是用两个电流互感器分别测量开关电流和二极管电流，电感电流是这两个电流的合成，这样每个电流互感器就有足够的时间来复位了。但要注意这两个电流互感器的匝比应一样，以保持检测电阻上的电流对称。显然这样的检测电路较为复杂。采用电流霍尔检测检测电流，可解决电流互感器不能测量直流电流的问题，但电流霍尔成本要高出很多。可见以上三种电流检测方法难以满足当今开关电源高功率密度、高效率、高性价比和模块化发展的需求。

发明内容

本发明目的在于克服上述缺陷，研制一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路。

本发明的技术方案是：

一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路，其主要技术特征在于：PWM发生器输出、比较器输出到与逻辑门输入端，与逻辑门输出到驱动电路输入端，驱动电路输出分成两路，一路经开关电源主电路中开关管的门极限流电阻到MOSFET开关管Q的栅极，另一路经限流电阻后分成两路，分别连接到阻塞二极管的阳极、偏置二极管的阳极，阻塞二极管的阴极连接到开关电源主电路中MOSFET开关管的漏极，偏置二极管的阴极连接到比较器的反相端，基准送到比较器的同相端，偏置二极管与阻塞二极管相同。

所述第一个工作模态是当PWM发生器输出低电平时，经与逻辑门和驱动电路后送往开关电源主电路中MOSFET开关管的驱动信号是低电平，开关管关断，此时阻塞二极管处于反向阻断，其阳极是低电平，故偏置二极管不导通，比较器反相端是低电平，在同相端基准电压的作用下，比较器输出高电平并送到与逻辑门的一个输入端，等待PWM发生器状态的跳变；第二个工作模态是当PWM发生器输出高电平时，与逻辑门输出高电平送到驱动电路，驱动电路的输出经开关电源主电路中MOSFET开关管的门极限流电阻，MOSFET开关管导通，主电路的电流流过开关管，并在开关管的导通电阻上产生电压降落，驱动电路的高电平通过限流电阻后加到阻塞二极管的阳极，使其导通，阻塞二极管的阳极检测到MOSFET开关管的漏极电压与阻塞二极导通压降之和，偏置二极管导通，偏置二极管的导通电压和阻塞二极管的导通电压相等，偏置二极管阴极检测到MOSFET导通电阻上的电压，当这个电压大于基准电压时，比较器输出低电平送到与逻辑门后，与逻辑门输出低电平，经驱动电路关断MOSFET开关管。

所述当流过MOSFET开关管的电流过大时，比较器的反相端的电压信号会大于同相端的基准电压，使比较器输出低电平，并送到与逻辑门输入端，与逻辑门输出低电平，经驱动电路关断开关管。

本发明优点在于利用开关管自身的导通电阻，将通过开关管的电流转换成电压降，仅通过两个型号相同的阻塞二极管和偏置二极管，再加上比较和逻辑判断电路实现开关电源主电路中的电流且精度较高，无需额外的电流传感器，电路结构简单、体积小，相比于电阻检测电流的电路不会引入损耗，因而可靠性和效率较高，与采用电流霍尔的检测电路相比成本要低很多，也不会因为电流尖峰原因而导致PWM电路出错，同时解决了电流互感器不能测量直流分量和下垂效应的问题，满足低成本，高效率和高功率密度的电源设计要求。

本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——本发明的应用电路组成示意图。

图2——本发明应用电路硬件构成示意图。

图3——本发明在推挽主电路中的应用图。

图2中的符号名称：

图3中的符号名称：

图中各标号表示对应的部件名称如下：

PWM发生器1、与逻辑门2、驱动电路3、限流电阻4、阻塞二极管5、偏置二极管6、、基准电压7、比较器8、开关电源主电路9、控制器10。

具体实施方式

本发明的技术思路：

针对开关电源电路中的电流检测电路存在功率耗散或成本较高的问题，提出了一种基于MOSFET开关管的导通电阻电流采样电路，采用阻塞二极管和偏置二极管相配合的精确电流检测电路。

下面具体说明本发明。

如图1、图2所示，本发明的部件构成：

PWM发生器1、与逻辑门2、驱动电路3、限流电阻4、阻塞二极管5、偏置二极管6、、基准电压7、比较器8和开关电源主电路9；其中，PWM发生器1、与逻辑门2和基准电压7(控制器10内部的硬件)构成；控制器10可以是集成控制器，也可以用分立元器件搭建；PWM发生器1的输出和比较器8的输出送到与逻辑门2的输入端，与逻辑门2输出到驱动电路3的输入端，驱动电路3的输出分成两路：一路经开关电源主电路9中门极限流电阻R2连接到MOSFET开关管Q的栅极；另一路经限流电阻4(R1)后又分成两路：一路连接到阻塞二极管5(D1)的阳极，另一路连接到偏置二极管6(D2)的阳极，阻塞二极管5(D1)的阴极连接到MOSFET开关管Q的漏极，偏置二极管6(D2)的阴极连接到比较器8的反相端，基准电压7送到比较器8的同相端。

MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)是金属-氧化物半导体场效应管的英文缩写。

如图2所示：

本发明的检测电路有两个工作模态：

第一个工作模态：当PWM发生器1输出低电平时，与逻辑门2输出低电平，驱动电路3输出的驱动信号v_dr将是低电位，故开关电源主电路9中的MOSFET开关管Q关断，漏源电压vds应等于直流电压Vin，因此时驱动信号v_dr＜Vin，故阻塞二极管D1处于反向阻断状态，其阳极电位Vi是低电位，相应的偏置二极管D2也处于阻断状态，vif是低电平，即比较器8的反相端是低电平，这样在同相端基准电压vref的作用下，比较器8将输出高电平，并送到与逻辑门的一个输入端；在该工作模态下，由于PWM发生器1输出的是低电平，故与逻辑门输出将保持在低电平；

第二个工作模态：当PWM发生器1输出高电平时，就进入第二个工作模态，即与逻辑门2输出的高电平送到驱动电路3，驱动电路3的输出v_dr将是高电位，这时MOSFET开关管Q导通流过电流is，并在开关管Q的导通电阻上产生电压降落vds，vds的值反映了开关管Q中所通过的电流大小；在第二个工作模态中，驱动电路3输出的vdr是高电位，其值一般是12-15V左右，开关管导通的压降vds一般是低于vdr值，故阻塞二极管D1经限流电阻4(R1)后承受正向电压而导通，并得到电位vi，且vi＝vds+vd1，即阻塞二极管5的阳极电位vi等于开关管Q的漏极电压vds与阻塞二极管5导通压降vd1之和，此时偏置二极管D2由于承受正向电压导通，设其导通压降是vd2，则偏置二极管6的阴极电位vif＝vi-vd2，本发明中的偏置二极管6和阻塞二极管5选择同一型号，故偏置二极管6的导通电压vd2＝vd1，那么vif＝vds成立，即送到比较器8反相端的电位vif较准确地反馈了开关管Q中电流is的大小，即当电流is增大时，vif也相应的增大，当电流大到一定程度时，vif超过基准电压vref时，比较器8输出低电平，与逻辑门随之输出低电平，从而经驱动电路3后关断开关管Q。

从上述工作模态及工作原理的分析得知：只要调整基准电压vref，就能限制流过开关管中的电流is到合适的数值，起到过流保护的作用。可见本发明能准确的实施电流检测并可用来实现开关管的过流保护。

本发明的技术特征在于发明的检测电路有两个工作模态及其对应的工作原理：第一个工作模态是当PWM发生器输出低电平时，经与逻辑门和驱动电路后送往开关电源主电路中MOSFET开关管的驱动信号是低电平，开关管关断，此时阻塞二极管处于反向阻断，其阳极是低电平，故偏置二极管不能导通，比较器反相端是低电平，在同相端基准电压的作用下，比较器输出高电平并送到与逻辑门的一个输入端，等待PWM发生器状态的跳变；当PWM发生器输出高电平时，就进入第二个工作模态，与逻辑门输出高电平送到驱动电路，驱动电路的输出送开关电源主电路中MOSFET开关管的门极限流电阻，从而控制MOSFET开关管导通，主电路的电流流过开关管，并在开关管的导通电阻上产生电压降落，此电压降落反映了通过开关管的电流大小。在第二个工作模态中，驱动电路的高电平通过限流电阻后加到阻塞二极管的阳极，使它承受正向电压而导通，故阻塞二极管的阳极检测到MOSFET开关管的漏极电压与阻塞二极导通压降之和，此时偏置二极管由于承受正向电压而导通，因偏置二极管的型号和阻塞二极管相同，故偏置二极管的导通电压和阻塞二极管的导通电压认为相等，从而偏置二极管阴极检测到的电压就等于MOSFET导通电阻上的电压，这个电压大于基准电压时，比较器输出低电平送到与逻辑门后，与逻辑门输出低电平，再经驱动电路关断MOSFET开关管。

本发明的一个具体实施例子如下：

如图3所示，将本发明的电流检测电路应用在推挽电路中：

输入直流电压V_in＝24V，输出直流电压V_o＝400V，高频变压器TR2原边与副边的匝比是4∶4∶76，开关频率f_S＝36KHz，输出功率P₀＝1000W，高压侧滤波电感L_Sf＝1.6mH，C_f＝460uF，Q1和Q2选用TI公司的MOSFET开关管，型号是IRF3205，耐压55V，在100度时最大可通过80A电流。为了有足够的裕度和提升主电路的效率，实际Q1和Q2各自采用3只IRF3205并联。副边整流二极管DR1～DR4选用安森美的超快恢复二极管MUR860(8A/600V)。集成控制器IC2选用TI公司的UC3525，它有两个互补输出的PWM引脚，高电平关断引脚SD，提供5.1V的基准电压源引脚VREF，精度达±1％，这样UC3525可看作是等效集成了PWM发生器、与逻辑门和基准电压的控制器。比较器IC1采用LM311，UC3525的VREF通过可调电阻RW设定过流保护电压值vref，并加到比较器IC1的同相端。因推挽电路有两只开关管，故图3中采用了两套阻塞二极管(D1和D3)和偏置二极管(D2和D4)，且都选型号为1N4148的玻装二极管，限流电阻R1和R4都是1000欧姆。在图3中，偏置二极管D2、D4和下拉电阻R7组成或逻辑电路，当开关管Q1和Q2中任意一路的电流过大时，vif将大于设定的vref，从而使得比较器输出低电平，进而经过与逻辑门和驱动之后判断开关管Q1和Q2，这样就起到了有效的过流保护功能；另推挽电路中存在开关器件的差异性和动态过程中的不对称性，这会导致高频变压器TR2出现偏磁而饱和。若采用了本发明电路，将会有效的避免偏磁现象的出现。实例应用验证了本发明提出方法的有效性。

从以上的描述可知，本发明基于MOSFET开关管的导通电阻采样电流，所提出的一种由阻塞二极管和偏置二极管组合的电流检测电路和方法，能有效的检测出开关管中的电流，并可靠的工作，可用作峰值电流控制和过流保护的检测电路。并具有以下的优点：

(1)无需额外的电流传感器，成本低；

(2)电路简洁明了，只需阻塞二极管和偏置二极管的型号相同即可；

(3)发明的电路应用广泛，可应用到反激电路，Buck电路，Boost电路和正激电路中去；

(4)发明的电路可靠性高，能抑制开关电源启动时的电流冲击，有助于冲击性负载的加载。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路，其特征在于：PWM发生器输出、比较器输出到与逻辑门输入端，与逻辑门输出到驱动电路输入端，驱动电路输出分成两路，一路经开关电源主电路中开关管的门极限流电阻到MOSFET开关管Q的栅极，另一路经限流电阻后分成两路，分别连接到阻塞二极管的阳极、偏置二极管的阳极，阻塞二极管的阴极连接到开关电源主电路中MOSFET开关管的漏极，偏置二极管的阴极连接到比较器的反相端，基准送到比较器的同相端，偏置二极管与阻塞二极管相同。

2.根据权利要求1所述的一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路，其特征在于第一个工作模态是当PWM发生器输出低电平时，经与逻辑门和驱动电路后送往开关电源主电路中MOSFET开关管的驱动信号是低电平，开关管关断，此时阻塞二极管处于反向阻断，其阳极是低电平，故偏置二极管不导通，比较器反相端是低电平，在同相端基准电压的作用下，比较器输出高电平并送到与逻辑门的一个输入端，等待PWM发生器状态的跳变；第二个工作模态是当PWM发生器输出高电平时，与逻辑门输出高电平送到驱动电路，驱动电路的输出经开关电源主电路中MOSFET开关管的门极限流电阻，MOSFET开关管导通，主电路的电流流过开关管，并在开关管的导通电阻上产生电压降落，驱动电路的高电平通过限流电阻后加到阻塞二极管的阳极，使其导通，阻塞二极管的阳极检测到MOSFET开关管的漏极电压与阻塞二极导通压降之和，偏置二极管导通，偏置二极管的导通电压和阻塞二极管的导通电压相等，偏置二极管阴极检测到MOSFET导通电阻上的电压，当这个电压大于基准电压时，比较器输出低电平送到与逻辑门后，与逻辑门输出低电平，经驱动电路关断MOSFET开关管。

3.根据权利要求1或2所述的一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流检测电路，其特征在于当流过MOSFET开关管的电流过大时，比较器的反相端的电压信号会大于同相端的基准电压，使比较器输出低电平，并送到与逻辑门输入端，与逻辑门输出低电平，经驱动电路关断开关管。